سومین آشکارسازی امواج گرانشی : وقتی لیگو نگرش ما را از سیاه چاله ها تغییر می‌دهد!

MacTavish · 10/10/19

برجسته‌ترین خبر علمی سال گذشته، یعنی آشکارسازی امواج گرانشی باز هم سرتیتر اخبار شده و باز هم پای لیگو در میان است. حالا لیگو موفق به سومین آشکارسازی امواج گرانشی شده است.

آشکارسازی امواج گرانشی برای نخستین بار در تاریخ و در سال گذشته، آنقدر مهم و بزرگ بود که بسیاری از فیزیکدانان، آن را به عنوان یکی از گزینه‌های اصلی نوبل 2016 معرفی می‌کردند. پس از آن، لیگو یک بار دیگر هم امواج گرانشی را مشاهده کرد. حالا سومین آشکارسازی امواج گرانشی رخ داده است. محققان در حال استفاده از داده‌های این آشکاسازی‌ هستند.

اجازه دهید به سراغ بحث تخصصی‌تر برویم: امواج گرانشی، امواجی در فضا-زمان هستند که توسط اشیای در حال حرکت ایجاد می‌شوند. مانند دو آشکارسازی قبلی، این‌بار هم لیگو امواج گرانشی ناشی از دو سیاه چاله‌ چگالیده‌ای را آشکارسازی کرد که از فاصله‌ی میلیون‌ها سال نوری در حال پیوستن به یکدیگر هستند. پیوستن سیاه چاله ها به یکدیگر، خیلی ساده نیست. آنها قبل از اینکه، یک شی ابرچگال یگانه را تشکیل دهند، به سرعت به دور یکدیگر می‌چرخند (بالغ بر چند دور در ثانیه). این چرخش‌ها، امواجی در فضا-زمان تولید می‌کند که در سرتاسر گیتی و با سرعت نور حرکت می‌کنند. جزییات بیشتر این امواج به زودی در یکی از معتبرترین و اصیل‌ترین مجلات فیزیک، یعنی Physical Review Letters منتشر خواهد شد.

اگرچه هر سه مشاهده امواج گرانشی، مربوط به ادغام دو سیاه چاله بوده، اما هر کدام از آنها، ویژگی‌های منحصربفرد خود را داشته ‌اند. نخستین آشکارسازی، مربوط به دو سیاه چاله‌ی پرجرم بود، در حالیکه سیاه چاله‌های مربوط به آشکارسازی دوم، بسیار کوچک بودند. اما سومین آشکارسازی امواج گرانشی مربوط به سیاه چاله هایی است که از حیث اندازه، درست مابین دو مورد قبل قرار می‌گیرند: سیاه چاله‌ هایی که حدودا 19 و 31 برابر جرم خورشید،‌ جرم دارند و پرجرم به حساب می‌آیند. قبل از نخستین آشکارسازی لیگو، دانشمندان فکر نمی‌کردند سیاه چاله های بزرگتر از 20 برابر جرم خورشیدی وجود داشته باشند، اما حالا نه تنها می‌دانیم آنها وجود دارند، بلکه مطمئن هستیم بسیار هم رایج هستند!

لیگو چگونه کار می‌کند؟

چندسال پیش، امواج گرانشی، پدیده‌های بسیار بدیع و نوظهوری به‌حساب می‌آمدند، اما حالا آنها به ابزار جدیدی برای مطالعه‌ی کیهان بدل شده‌اند. تا زمان نخستین آشکارسازی لیگو، امواج گرانشی تنها بخش بزرگ تاییدنشده‌ی نظریه نسبیت عام اینشتین بودند، نظریه‌ای که در سال 1916 ارائه شد. نسبیت عام با ترکیب فضا و زمان و خلق یک مفهوم یگانه به‌نام فضا-زمان، درک ما را از هستی تغییر داد. اینشتین فرض کرد که اشیا، روی فضا زمان اطرافشان تاثیر می‌گذارند و زمانی که این اشیا حرکت می‌کنند، امواجی را در فضا-زمان می‌سازند، درست مثل امواجی که از حرکت یک شی درون یک حوضچه آب به وجود می‌آید.

از لحاظ نظری، هر چیزی که حرکت می‌کند (از یک آدم گرفته تا یک سیاره)،‌ چنین امواجی را می‌سازد، اما امواجی که من و شما تولید می‌کنیم بسیار کوچکند، آنقدر کوچک که عملا غیرقابل آشکارسازی هستند. لیگو برای آشکارسازی امواج سنگین‌ترین اشیای جهان که با سرعت نور در حال حرکت هستند، طراحی شده است. سیاه چاله های در حال ادغام یا ستاره‌های نوترونی، امواج عظیمی تولید می‌کنند که می‌تواند از زمین، آشکارسازی شود. البته وقتی این امواج به سیاره‌ی ما می‌رسند، بسیار بسیار ضعیف می‌شوند، به طوری که اندازه‌گیری آنها، فوق‌العاده دشوار می‌گردد.

خوشبختانه، دو مشاهده‌گر لیگو در واشنگتن و لوئیزیانا به اندازه‌ی کافی حساس هستند تا این امواج را اندازه بگیرند. هر مشاهده‌گر لیگو دارای شکلی به صورت حرف L است، با بازوهایی (لوله‌های خلا) که حدود 2.5 مایل طول دارند. در انتهای هر لوله، یک آینه‌ی معلق قرار دارد و جاییکه بازوها به یکدیگر می‌رسند، یک لیزر به هر آینه می‌تابد. وقتی یک موج گرانشی عبور می‌کند، انتهای هر L، به طور متفاوتی منحرف می‌شود و اینطور به نظر می‌رسد که یک آینه در حال نزدیک شدن به منبع لیزر و دیگری در حال دور شدن است. لیگو می‌تواند این پدیده را با اندازه‌گیری زمانی که طول می‌کشد لیزر به هر آینه برخورد کند، اندازه بگیرد. لیگو، بسیار دقیق است، به طوری که می‌تواند تغییراتی هزار برابر کوچکتر از اندازه‌ی یک پروتون را اندازه‌گیری کند.

سومین آشکارسازی امواج گرانشی و سیاه‌ چاله‌های پرجرم

در حال حاضر سه آشکارسازی امواج گرانشی توسط لیگو، دید دانشمندان را در مورد چگونگی شکل‌گیری سیاه چاله های سنگین‌ عوض کرده‌ است. تصور بر این است که سیاه چاله هایی که لیگو مشاهده کرده، بقایای ستاره‌های مرده‌ای هستند که تمام سوختشان را مصرف کرده و سپس به درون خود فروریزش کرده‌اند. جرم این سیاه چاله ها مستقیما به جرم ستاره‌هایی که از آنها تولید شده‌اند(ستاره‌های مادر)، بستگی دارند. ساختار ستاره‌های مادر هم مستقیما به جا و زمان شکل‌گیری آنها بستگی دارد، مثلا نخستین ستاره‌هایی که بلافاصله پس از انفجار بزرگ ظاهر شدند (یعنی حدود 14 میلیارد سال پیش)، بشدت با ستاره‌هایی که سال‌ها بعد تشکیل شدند، متفاوت‌اند.

ستاره‌های اولیه، از سبک‌ترین عناصر، یعنی هیدروژن و هلیوم، ساخته شده بودند، و این دلیل واضحی دارد: هیدروژن و هلیوم،‌ نخستین عناصری بودند که چشم به جهان گشودند، پس گزینه‌ی دیگری وجود نداشت. اما با تکامل ستاره‌ها، عناصر سنگین‌تری درون هسته‌های آنها از طریق واکنشهای هسته‌ای ساخته شد. با انفجار ستاره‌ها، این عناصر سنگین‌تر به بیرون پرتاب شده و عناصر اولیه‌ی نسل بعدی ستارگان را تشکیل دادند. نتیجه‌ی کلی اینکه ستار‌ه‌هایی که در زمان‌های جدیدتر تشکیل شد‌ه‌اند، عناصر سنگین بیشتری مانند کربن و نیتروژن دارند.

دانشمندان معتقدند میزان عناصر سنگین یک ستاره، بر چگونگی تکامل آن در طول زمان، تاثیر می‌گذارد. عناصر سنگین‌تر، تابش بیشتری جذب می‌کنند که سبب می‌شود عناصر، برانگیخته شده و اندازه حرکت کافی برای پرتاب شدن به بیرون ستاره را پیدا کنند، بنابراین اگر یک ستاره از عناصر سنگین‌تری ساخته شده باشد، با احتمال بیشتری نسبت به ستاره‌ای که فقط از هیدروژن و هلیوم ساخته شده، جرم از دست می‌دهد.

با سومین آشکارسازی امواج گرانشی توسط لیگو، تصور ما در مورد اندازه سیاه چاله های موجود، تغییر کرده است

تصور بر این بود سیاه چاله هایی که لیگو آنها را مشاهده کرده ناشی از ستاره‌های متشکل از عناصر سنگین بوده‌اند و این یعنی حداکثر 20 برابر جرم خورشید، جرم دارند، اما حالا لیگو حداقل سه سیاه چاله‌ی سنگین‌تر را آشکارسازی کرده است. ممکن است ستاره‌های بسیار بیشتری آنجا وجود داشته باشد که از عناصر سبک‌تر تشکیل شده‌اند. شاید این مشاهدات، نشان از ستاره‌های بسیار قدیمی‌تری داشته باشند که اندکی پس از انفجار بزرگ ایجاد شده‌اند. به هر روی، مردم در حال بازنگری در مورد مدل‌هایشان هستند. سومین آشکارسازی امواج گرانشی توسط لیگو، نقطه‌ی عطفی در اخیرفیزیک به حساب می‌آید.

لیگو در حال استفاده از داده‌های سومین آشکارسازی امواج گرانشی است تا به کمک آن، جزییات بیشتری را در مورد دو سیاه چاله‌ی خالق این امواج به تصویر بکشد. سومین آشکارسازی امواج گرانشی مربوط به مرحله‌ای از پروژه‌‌ی لیگوست که از 30 نوامبر 2016 آغاز شده بود و تا پایان تابستان هم ادامه خواهد داشت. بنابراین احتمالا بیش از اینها در مورد لیگو و دستاوردهایش خواهیم شنید…